陳 鋒 ，張眾杰 ，周杭超 ，董晨晨 ，張恒靖 ，馬小龍

（1.浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州310018；2.浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)研究院，浙江 杭州310018；3.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引言

焊接工藝是制造業(yè)中非常重要的一種加工工藝方法。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和要求高生產(chǎn)效率，機(jī)器自動(dòng)焊接工藝已在逐步取代手工焊接工藝。自動(dòng)焊接工藝也表現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)：焊接質(zhì)量高，人的勞動(dòng)強(qiáng)度低，效率高，人的焊接條件大大改善。隨著焊接工藝要求的越來(lái)越高，自動(dòng)焊接機(jī)器人的控制方式從一開(kāi)始的開(kāi)環(huán)控制，改進(jìn)到現(xiàn)在的閉環(huán)控制為主，焊接機(jī)器人也具有了路徑自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)校正，焊縫跟蹤，焊縫質(zhì)量識(shí)別等功能[1-2]。視覺(jué)傳感器的焊縫跟蹤識(shí)別使機(jī)器人具有自主獲取焊接路徑的能力，解決了以往焊接機(jī)器人靠人工進(jìn)行示教而生產(chǎn)效率不高的問(wèn)題，提高了智能化。

焊縫跟蹤是自動(dòng)焊接機(jī)器人研究的一個(gè)重要課題，即以焊槍頭作為控制對(duì)象，利用機(jī)械方法、電磁感應(yīng)方法、視覺(jué)方法獲取到焊槍的實(shí)時(shí)位置，計(jì)算出實(shí)際位置與規(guī)劃位置的偏差量，偏差量輸入控制器，運(yùn)算后控制焊槍調(diào)整位置狀態(tài)[3-4]。其中視覺(jué)方法進(jìn)行焊縫跟蹤識(shí)別引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的較大關(guān)注和研究，提出了多樣的圖像處理算法，文獻(xiàn)[5]對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

焊縫的準(zhǔn)確識(shí)別是對(duì)機(jī)器人做出準(zhǔn)確判斷的前提條件，如何采用快速、準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)運(yùn)算達(dá)到識(shí)別目的，是很多專(zhuān)家學(xué)者們關(guān)注。本系統(tǒng)通過(guò)增加結(jié)構(gòu)光作為輔助光源，避開(kāi)了焊接時(shí)因?yàn)榛」庠斐傻母蓴_，采用圖形化的編程工具LabVIEW對(duì)焊縫進(jìn)行識(shí)別算法編程，實(shí)現(xiàn)了焊縫的快速、準(zhǔn)確識(shí)別。

1 算法原理

通過(guò)對(duì)采集到的焊縫圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取到細(xì)化的單結(jié)構(gòu)光圖像，就需要得到該結(jié)構(gòu)光的中心點(diǎn)和兩側(cè)的邊緣點(diǎn)坐標(biāo)（xa，ya），（xb，yb），（xc，yc），本文采用焊縫特征提取算法為模板匹配法。

圖1 V型焊縫結(jié)構(gòu)光圖像示意圖

1.1 采用Hough變換的圖像預(yù)處理

Hough變換是利用圖像全局特性將邊緣連接起來(lái)促成封閉邊界的一種方法，可以很方便得到邊界曲線將不連續(xù)的邊緣點(diǎn)像素連接起來(lái)形成連續(xù)線。優(yōu)點(diǎn)是受噪聲和曲線間斷的影響較小。

Hough變換的基本思想是點(diǎn)線對(duì)偶性。Hough處理是先確定圖像的突變點(diǎn)，將這些點(diǎn)按照一定的順序和法則連成線段或直線[6]。在直角坐標(biāo)系中描述直線有很多種方法。其中，參數(shù)方程是描述一組直線的便捷方案。

在這里，r是指原點(diǎn)到該直線的距離，θ是r相對(duì)X軸的轉(zhuǎn)角。

1.2 模板匹配法

模板匹配法是利用已知的模板對(duì)視覺(jué)圖像中的相關(guān)特診進(jìn)行匹配，通過(guò)模板的匹配方法對(duì)圖像上的各像素點(diǎn)進(jìn)行逐級(jí)搜索過(guò)程如圖2所示。用歸一化互相關(guān)匹配算法逐行進(jìn)行匹配，當(dāng)搜索到具有模板相關(guān)特征的像素點(diǎn)時(shí)，就判斷為找到該特征位置了[7]。

圖2 模板匹配過(guò)程示意圖

設(shè)模板 T（m，n）在被匹配的圖像 S（M，N）中進(jìn)行平移，模板所覆蓋的那塊區(qū)域記做Sij，那么歸一化的相關(guān)系數(shù) R（i，j）可以表達(dá)為：

分子為模板與子圖像的互相關(guān)計(jì)算，隨著（i，j）坐標(biāo)的變化，當(dāng)模板與子圖像一致匹配時(shí)，歸一化相關(guān)系數(shù) R（i，j）就得到 1，將被匹配的圖像 S（M，N）全部進(jìn)行搜索后找到R（i，j）的最大值，即為模板所對(duì)應(yīng)的子圖像的匹配目標(biāo)。利用模板匹配的方法檢測(cè)到的焊縫特征點(diǎn)位置圖像。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為電子圖像獲取系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)程序處理系統(tǒng)、XY軸跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改進(jìn)了以往的工件固定，焊槍移動(dòng)的工作模式；將焊槍固定，工件移動(dòng)的工作模式。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由采集圖像卡、圖像采集攝像機(jī)、結(jié)構(gòu)光發(fā)生器、固定支架構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)光主動(dòng)視覺(jué)識(shí)別平臺(tái)示意圖

同時(shí)算法中盡量避免圖像雅可比逆矩陣時(shí)的奇異點(diǎn)造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定[3]。

本實(shí)驗(yàn)選用DAHENG_Mercury_Cameras，帶觸發(fā)相機(jī)功能。攝像機(jī)通過(guò)USB口將數(shù)字量信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)，免去了以往還需要模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量板卡。攝像機(jī)與結(jié)構(gòu)光發(fā)生器用支架固定在框架中，安裝于焊槍正前方，主要用于采集縫前端的圖像。

2.2 軟件系統(tǒng)

LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言，即虛擬儀器，它提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化編程方法。本系統(tǒng)就是以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)而開(kāi)發(fā)的焊縫跟蹤系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)分為四個(gè)組成部分：圖像采集處理獲取焊縫中心，控制步進(jìn)電機(jī)，相關(guān)參數(shù)設(shè)置等。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 圖像視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)框圖

圖像視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)攝像機(jī)觀察到的特征信息進(jìn)行直接反饋，已經(jīng)改進(jìn)了以往的需要對(duì)位姿進(jìn)行估計(jì)的方法，受到傳感器模型和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定帶來(lái)的誤差較小影響，使得靜態(tài)定位精度較高。

3 圖像采集與處理

3.1 圖像采集

圖像采集時(shí)要求圖像在顯示屏的正中間位置，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)與工件的相對(duì)高度位置達(dá)到圖像位于顯示屏正中間位置。焊槍位于攝像機(jī)后方，結(jié)構(gòu)光照射到攝像機(jī)正下方的工件表面上形成一字紅線，形成的V型特征線圖像，采集圖像如圖5所示。

圖5 焊縫圖像

采集到的圖像像素為2 048×1 536，圖像所采集的區(qū)域尺寸為橫向距離為96 mm×72 mm，經(jīng)過(guò)標(biāo)定每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度值為0.046 875 mm。

3.2 圖像處理

焊縫跟蹤的精度很大程度上取決于焊縫圖像特征的提取，即焊縫中心點(diǎn)的檢測(cè)。

焊接過(guò)程產(chǎn)生的飛濺、反射光等干擾會(huì)是的說(shuō)拍攝圖片含有大量噪聲，影響中心點(diǎn)的檢測(cè)，為此，有必要對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。本系統(tǒng)的處理方法及流程如圖6所示。

圖6 焊縫中心檢測(cè)流程圖

焊縫中心提取結(jié)果如圖7所示。

圖7 焊縫中心檢測(cè)圖

實(shí)驗(yàn)證明，用該方法進(jìn)行焊縫識(shí)別時(shí)非?？焖儆行崛〉搅撕缚p的特征點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了本系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)，確定焊縫圖像上像素點(diǎn)與實(shí)際坐標(biāo)之間的關(guān)系，以獲取焊縫實(shí)際坐標(biāo)。

焊縫跟蹤試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定的電弧電壓為25 V，焊接電流為210 A，送絲速度為12 m/min，焊絲直徑為1.2 mm，保護(hù)氣體是混合二元?dú)?0%Ar+20%CO2，流量為12 L/min，焊接速度35 cm/min，V形坡口S形，板厚為10 mm，單邊坡口角度30°，試件焊接長(zhǎng)度為300 mm的Q235鋼板。

在開(kāi)始焊接時(shí)，調(diào)整焊接裝置使內(nèi)焊縫中心處于圖像的中間位置，即圖像水平方向第1 024個(gè)像素處。在實(shí)際運(yùn)行中，抽查了一組焊縫中心的數(shù)據(jù)，如表1所示，表1列出了采用本文提出的方法所得實(shí)時(shí)識(shí)別焊縫中心與焊縫路徑擬合（實(shí)際坐標(biāo)）的部分對(duì)比結(jié)果。從數(shù)據(jù)的分布上來(lái)看，能夠確定焊縫的偏差范圍可以控制在0.5 mm以?xún)?nèi)，完全能夠滿足企業(yè)要求。焊縫跟蹤實(shí)物如圖8所示。

表1 圖像識(shí)別坐標(biāo)與擬合坐標(biāo)位置表

圖8 焊接效果圖

實(shí)驗(yàn)表明，該焊縫視覺(jué)信息檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，焊接速度可根據(jù)焊接工藝調(diào)整，精度高，可以滿足實(shí)時(shí)性和高精度的要求。

5 結(jié)論

焊縫視覺(jué)跟蹤識(shí)別技術(shù)由于其對(duì)工件無(wú)損傷，適應(yīng)性強(qiáng)，快速準(zhǔn)確性，市場(chǎng)需求量已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。LabVIEW由于其編程語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，視覺(jué)開(kāi)發(fā)環(huán)境可以使開(kāi)發(fā)者快速開(kāi)發(fā)出適用的視覺(jué)識(shí)別及跟蹤程序。

本系統(tǒng)搭建了弧焊機(jī)器人視覺(jué)傳感試驗(yàn)硬件系統(tǒng)，并基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)，對(duì)原始圖像進(jìn)行平滑去噪，采用邊緣檢測(cè)算法抽取了激光條紋邊緣；利用Hough變換和模板匹配算法提取了光帶中心線和焊縫中心點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的跟蹤焊縫并進(jìn)行糾偏，并對(duì)跟蹤過(guò)程實(shí)時(shí)的顯示，運(yùn)行可靠，精度高，提高生產(chǎn)率。